Mise au point de matériaux thermoélectriques pour une production d'énergie efficace
Comment rendre la conversion énergétique plus efficace et utiliser la chaleur perdue pour produire de l'électricité ? Des chercheurs du Max-Planck-Institut für Eisenforschung ont modifié la microstructure des matériaux thermoélectriques en dopant les joints de grains avec du titane. Ils ont ainsi pu obtenir une conductivité thermique faible et une conductivité électrique élevée optimales.
La chimie et l'arrangement atomique des phases des joints de grains définissent le transport des électrons à travers les joints de grains. La phase des joints de grains riche en titane fournit un chemin conducteur (à gauche) tandis que la phase des joints de grains riche en fer résiste aux électrons (à droite).
© R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
À une époque où l'énergie est rare et où l'on recherche des moyens durables de production d'énergie, les matériaux thermoélectriques sont envisagés pour la production d'énergie afin de transformer la chaleur résiduelle en électricité. Cependant, pour rendre cette transformation plus efficace, et donc utilisable à l'échelle industrielle, une meilleure compréhension des propriétés fonctionnelles et structurelles des matériaux est nécessaire. Une équipe de chercheurs dirigée par le Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) a réussi à régler la microstructure d'un nouveau matériau thermoélectrique prometteur pour une conversion efficace de l'énergie. L'équipe a publié ses résultats dans la revue Advanced Energy Materials.
Réglage des propriétés thermoélectriques par l'ingénierie des joints de grains
Des recherches antérieures ont montré que la structure et la composition des joints de grains sont cruciales pour la conductivité thermique et électrique des matériaux thermoélectriques. En général, les joints de grains réduisent à la fois la conductivité thermique et électrique du matériau, alors qu'il est souhaitable d'avoir une conductivité thermique faible, mais une conductivité électrique élevée. L'objectif des chercheurs du MPIE, de la Northwestern University (États-Unis) et du Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (Allemagne) était de modifier les joints de grains de manière à ce que seule la conductivité thermique soit réduite, tandis que la conductivité électrique reste élevée. Ils ont utilisé un composé intermétallique demi-Heusler NbFeSb dopé au Ti, un alliage thermoélectrique récemment mis au point mais prometteur. Il possède d'excellentes propriétés thermoélectriques à des températures moyennes et élevées, une bonne robustesse thermique et mécanique, et ses éléments sont inoffensifs et abondants sur terre.
"Nous avons utilisé des techniques de caractérisation avancées telles que la microscopie électronique à transmission à balayage et la tomographie par sonde atomique pour dévoiler la microstructure des alliages jusqu'à l'échelle atomique. Notre analyse a montré que la chimie et l'arrangement atomique des joints de grains peuvent être réglés pour modifier les propriétés de transport électronique et thermique", explique Ruben Bueno Villoro, chercheur doctorant dans le groupe de recherche indépendant "Nanoanalytics and Interfaces" au MPIE et premier auteur de la publication. La taille des grains étant réduite, l'augmentation du nombre de joints de grains réduit considérablement la conductivité électrique. "En dopant l'alliage avec du titane, nous avons découvert que les joints de grains devenaient riches en titane et n'étaient plus résistifs, ce qui nous permet d'utiliser pleinement la faible conductivité thermique avantageuse fournie par la petite taille des grains", explique le Dr Siyuan Zhang, chef de projet dans le même groupe de recherche et auteur correspondant de la publication.
Prochaine étape : le dopage sélectif des joints de grains
Après avoir démontré la stratégie d'ingénierie des joints de grains, les chercheurs explorent de nouveaux moyens de doper sélectivement les joints de grains. En établissant un lien entre les propriétés fonctionnelles et les structures atomiques des caractéristiques critiques de la microstructure, telles que les joints de grains, l'équipe de chercheurs élabore de nouveaux principes de conception pour les matériaux essentiels à un avenir durable.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
R. Bueno Villoro, D. Zavanelli, C. Jung, D.A. Mattlat, R. Hatami Naderloo, N. Pérez, K. Nielsch, G.J. Snyder, C. Scheu, R. He, S. Zhang: Grain boundary phases in NbFeSb half-Heusler alloys: A new avenue to tune transport properties of thermoelectric materials. In: Advanced Energy Materials (2023) 2204321.
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